יש עוד משהו בתוך הפרוטון

כבר בשנות השישים של המאה הקודמת נוצרה הסכמה לכך ששלושה קוארקים נמצאים בתוך פרוטונים וניוטרונים. על פי המודל הסטנדרטי אין בפרוטון חלקיקים מסיביים נוספים. כאשר התגלה לאחר כמה שנים שקוארקים אלו נושאים פחות ממחצית המומנטום הלינארי של הפרוטון (דבר המרמז על כך שיש בפרוטון עוד חלקיקים מסיביים), טענו חסידי המודל הסטנדרטי שהגלואונים הם הנושאים את המומנטום הזה. כדאי לציין שהתנהגות כזו של הגלואונים שונה מאוד מהתנהגות חלקיק חסר מסה אחר, הפוטון המעורב בקשר אלקטרומגנטי של מצב קשור של חלקיקים.

בכתבה זו ניווכח שלא רק שיש בפרוטון חלקיק מסיבי נוסף, אלא הרבה מעבר לכך. עובדה זו מתחוורת ככל שעולות רמות האנרגיה אשר ניתנות להשגה על ידי מאיצי החלקיקים המודרניים.

ניסוי קוואנטי מאלף
בשנת 1913, ערכו ג'יימס פרנק וגוסטב הרץ את אחד הניסויים הראשונים שבו הראו שהאטום אינו יכול להיות בכל מצב אנרגטי, אלא רק במצבים אנרגטיים מסויימים. תוצאות ניסוי זה תמכו במודל האטום של בוהר. מודל זה ניזנח אמנם לאחר מכן, אך תוצאות הניסוי היוו דחיפה גדולה לתורת הקוואנטים שהייתה אז בחיתוליה.

מה עשו פרנק והרץ? הם ירו אלומות של אלקטרונים לתוך שפופרת המכילה גז ארגון או אדי כספית, ובדקו את עוצמת הזרם המתקבלת מהאלקטרונים שהגיעו לצידה האחר של השפופרת. את האלקטרונים הם האיצו על ידי שימוש בשדה חשמלי. כאשר הגיעו האלקטרונים לצידה האחר של השפופרת, נמדד הזרם המתקבל.

פרנק והרץ יכלו לשלוט על מהירות האלקטרונים על ידי שינוי השדה החשמלי. בתחילה עלה הזרם באופן עקבי עם עליית מהירות האלקטרונים. ואז, כאשר הגיעו למהירות שעברה סף מסויים, חלה לפתע צניחה בעוצמת הזרם בקצה השפופרת. עם הגדלת השדה החשמלי והאצה גדולה יותר של האלקטרונים שוב עלתה עוצמת הזרם בקצה השפופרת, ואז, שוב, כאשר עברו האלקטרונים סף מהירות חדש, שוב חלה צניחה ברמת הזרם.

מהן מסקנות הניסוי? האטום מסוגל להיות רק ברמות אנרגיה מסויימות. כאשר האלקטרונים נעו במהירות נמוכה והאנרגיה שלהם לא הייתה מסוגלת לעורר את האטום, כלומר להעביר אותו מרמת אנרגיה אחת לרמה גבוהה יותר, הם חלפו על פניו באדישות והגיעו לצידה השני של השפופרת מבלי לאבד אנרגיה. אולם כאשר עברו רמת מהירות (ואנרגיה קינטית) מסויימת, היו מסוגלים לעורר את האטום, וכך איבדו אנרגיה שהועברה לאטום. כך מוסברת הצניחה הראשונה בעוצמת הזרם. הצניחה הבאה הוסברה על ידי כך שהאלקטרונים הצליחו לעורר פעמיים שני אטומים, וכך הלאה.

תוצאות אנלוגיות למה שקרה בניסוי זה, מתגלות גם היום במאיצי חלקיקים, כמובן, ברמות אנרגיה גבוהות לאין שיעור ממה שהיה ניתן לקבל לפני מאה שנה. בניתוח התוצאות של נסיונות אלה מקובל להשתמש בגרף הנקרא גרף חתך הפעולה. גודל זה מתיחס להתנגשות של חלקיקים והוא קשור לסבירות שבעקבות ההתנגשות יתחולל המאורע הנדון. מסתבר כי חתך הפעולה תלוי לא רק בסוג החלקיקים המעורבים בהתנגשות אלא גם באנרגיה של התהליך.

חקר מבנה הפרוטון
בניסוי של פרנק-הרץ שלחו אלקטרונים אשר באו במגע עם האלקטרונים שבאטום. כאשר מנסים לחקור את הפרוטון, יש צורך לשלוח אלומות חזקות הרבה יותר. שתי סיבות לדבר. האחת, נובעת מעיקרון של תורת הקוונטים. המיקום של חלקיק איננו נקודתי כפי שהיה מקובל להניח בפיזיקה הקלאסית, אלא מתואר על ידי גל. כאשר חלקיק נע לאיטו, אורך הגל שלו גדול יחסית. כאשר אורך הגל שלו גדול יותר מזה של הפרוטון, הוא איננו פוגע בקוארק בודד, אלא בפרוטון כולו. על מנת ללמוד על הקוארק, צריך אורך הגל להיות קטן משמעותית מגודלו של הפרוטון, וזה אפשרי רק כאשר החלקיק הפוגע נע באנרגיה גבוהה.

ואכן, במהלך עשרות השנים האחרונות, הצליחו להאיץ חלקיקים שונים, אלקטרונים, פוזיטרונים, מיואונים ופרוטונים באנרגיה גבוהה מספיק כך שאורך הגל התקצר, וחלקיקים של אלומות אלו באו במגע עם קוארק בודד הנמצא בתוך הפרוטון.

מה קורה כשמפגיזים פרוטון
כאשר פוגעת אלומת חלקיקים בפרוטון באנרגיה גבוהה, יש שני סוגים של אינטראקציות בין החלקיק הפוגע לבין הפרוטון. התנגשות מסוג אחד נקראת התנגשות אלסטית, שבה עוברים מומנטום ואנרגיה קינטית מחלקיק לחלקיק. לאחר ההתנגשות ישנם בדיוק אותם החלקיקים שהיו טרם ההתנגשות. בנוסף לכך, ישנן התנגשויות אחרות, הנקראות "לא אלסטיות". בהתנגשויות אלו נוצרים חלקיקים חדשים, כמו למשל מזונים, המורכבים מקוארק ואנטיקוארק. הסבר מפורט בעניין זה יינתן בכתבה אחרת אשר תעסוק בשאלה מדוע אין קוארק חופשי.

מסתבר, שכאשר התבוננו בהתנגשות של אלקטרון בפרוטון והגבירו את רמות האנרגיה, כמעט כל ההתנגשויות היו "לא אלסטיות". למעשה, בתחום האנרגיות הגבוהות, עם הגדלת האנרגיה הלך וירד החלק היחסי של ההתנגשויות האלסטיות והגיע לשעור זעיר של כאלפית מכלל ההתנגשויות. כל זה נכון, עד שהגיעו בסוף שנות התשעים של המאה הקודמת לרמות אנרגיה שלא היו בניסויים אחרים בעבר.

סוף שנות התשעים, מעבדות דייזי, גרמניה
בשנת 1997 פורסמו תוצאות של נסיונות שנערכו במעבדות דייזי שבגרמניה. בניסוי הפציצו פרוטונים באלומות של אלקטרונים או של פוזיטרונים, באנרגיות גבוהות מכל ניסוי שקדם לו. הניסוי נערך על ידי שתי קבוצות חוקרים שונות, בשני איזורים שונים של המתקן. תוצאות הניסוי שקיבלו שתי הקבוצות היו דומות, ומפתיעות.

אחד הכללים היסודיים הידועים מזה מאה שנה, הוא שבאופן כללי, הסיכוי להתנגשות בין אלקטרון (וחלקיקים דומים) לבין פרוטון קטן ככל שאנרגיית החלקיק גדלה. זה אמור לגבי תהליכים הנשלטים על ידי החוקים האלקטרומגנטים התקפים עבור התנגשות של אלקטרון בפרוטון.

ולכן, ציפו החוקרים לירידה מתאימה בגרף חתך הפעולה. אולם, לפתע חל שנוי והתקבל מספר גדול מהצפוי של מאורעות. תוצאה זו לא עלתה בקנה אחד עם המודל הסטנדרטי. שתי כתבות המביעות פליאה על תוצאות הניסוי פורסמו מייד לאחר מכן [1,2].

מהן האפשרויות למצא הסבר לעלייה כזו? אפשרות אחת היא שישנם גופים נוספים בתוך הפרוטון אשר, בדומה לנסוי פרנק-הרץ, מסוגלים לקלוט אנרגיה זו רק כאשר היא גבוהה מאנרגית סף מסויימת. ברור כי אפשרות זו סותרת את המודל הסטנדרטי. עורכי הניסוי החליטו בצדק מסויים שיתכן ותוצאותיו מקריות, משום שאכן לא נאסף מידע בכמות מספקת.

תחילת שנות האלפיים, טבטרון, אילינוי
לפני כעשר שנים נערך במאיץ החלקיקים טבטרון שבמדינת אילינוי שבארה"ב ניסוי בו הפציצו פרוטונים באלומות של פרוטונים וגם של אנטי-פרוטונים. רמות האנרגיה של "הפגזה" זו היו גבוהות ממה שהושג בדייזי, ושם התקבלה תוצאה חותכת. התברר, שאכן גרף חתך הפעולה הכללי מתחיל לעלות כאשר האלומה עוברת סף אנרגיה מסויים. בנוסף, הופיעה עלייה גם בכמות ההתנגשויות האלסטיות. במילים אחרות, חל שנוי מגמה גם בגרף חתך הפעולה הכללי וגם בגרף של חתך הפעולה האלסטי. בשני המקרים הפסיקו הגרפים לרדת והתחילו לעלות [3].

ממצא זה ידוע כבר מספר שנים ונתמך על ידי תוצאות קודמות. הוא מרמז באופן בוטה על כך שישנם חלקיקים מסיביים בתוך הפרוטון, אשר "מתעוררים" ברמת האנרגיה הגבוהה שנוצרה וגורמים לשנוי המגמה. מסתבר כי, באופן דומה למה שקרה בניסוי של פרנק הרץ, יכולים חלקיקים מסיביים אלו להימצא רק ברמות אנרגיה מסויימות, ולכן הם מגיבים לפגיעה זו רק כאשר האנרגיה של החלקיק הפוגע גבוהה מספיק כדי להעביר אותם מרמה לרמה.

בשלב זה, מתעלמים המדענים מהממצא, כנראה משום שהוא סותר את המודל הסטנדרטי. ישנם בודדים המתלוננים על כך שהמודל הסטנדרטי איננו מספק הסבר לתופעה. [4,5].

המודל של קומאי מסביר ממצא זה באופן מתבקש. בתוך הפרוטון יש ליבה המושכת את הקוארקים אליה, ובניסיונות באנרגיות לא גבוהות מאד יכולנו לחוש רק בשלושת הקוארקים אשר נמצאים בקליפה החיצונית. אולם, בפרוטון ישנן קליפות פנימיות נוספות של קוארקים, בדומה לאטום מרובה אלקטרונים המכיל קליפות פנימיות סגורות של חלק מהאלקטרונים. עירור של הקליפות הפנימיות קורה רק כאשר אנרגית החלקיק הפוגע גבוהה מספיק.

עוד משהו על פיזור אלסטי
מוסכם על הכל שפיזור באנרגיה גבוהה של אלקטרונים על פרוטונים מוכיח כי למעשה כל התנגשות מתחוללת בין האלקטרון לבין קווארק בודד שבפרוטון. כאמור, במקרה זה יורד החלק היחסי של ההתנגשויות האלסטיות עם עלית האנרגיה והופך לזניח ממש. פרושו של דבר, אם קווארק סופג חבטה קשה מאלקטרון אז הפרוטון מתפרק כמעט בכל המקרים. בניגוד לכך מסתבר כי בהתנגשות פרוטון-פרוטון באנרגיה גבוהה, החלק היחסי של הפיזור האלסטי הוא בערך 15% ואין הוא יורד עם עלית האנרגיה. תוצאות אלו מביאות לשתי מסקנות:
א. הפרוטון מכיל מרכיב קשיח שאיננו קווארק, אשר מסוגל לעמוד בהתנגשות האנרגטית ולא לגרום להתפרקות הפרוטון.
ב. המרכיב הזה נייטרלי מבחינה חשמלית ולכן אין הוא מתגלה בפיזור של אלקטרון על פרוטון.

מסקנות אלו מאשרות את קיומה של ליבה בפרוטון. ליבה זאת כוללת קליפות סגורות של קווארקים והיא תורמת לעובדה שבפיזור פרוטון-פרוטון, החלק האלסטי רחוק מלהיות זניח.

בקרוב, צרן
במאיץ LHC שבצרן רמות האנרגיה של אלומת הפרוטונים תהיה גבוהה עוד יותר, כך שנוכל לראות כיצד מתקדם גרף חתך הפעולה ככל שאנרגיית האלומה גדלה. על פי קומאי [5], אם מספר הקליפות הפנימיות קטן, או שרמת האנרגיה הדרושה כדי לערר קוארקים בקליפות פנימיות עוד יותר תהיה גבוהה מכדי שניתן יהיה להגיע אליה בניסוי, הרי שגרף חתך הפעולה האלסטי יתחיל שוב לרדת. כל זאת מתקבל מהאנלוגיה לניסוי של פרנק הרץ. לא ברור אם רמות האנרגיה שנגיע אליה בצרן יחשפו את הירידה הבאה.

סיכום
– רוב המומנטום של הפרוטון איננו בשלושת הקוארקים החיצוניים. לאחר שהתגלה הדבר סיפק קיו סי די הסבר לא טבעי לתופעה.
– מספר ההתנגשויות האלסטיות עולה באופן פתאומי כאשר מגדילים את רמת האנרגיה בהתנגשות בין פרוטונים. למודל הסטנדרטי אין הסבר לתופעה זו.
– למודל של קומאי הסבר מיידי וטבעי לתופעות אלה.

C. Adloff et al., Z. Phys C74, 191 (1997) .1
J. Breitweg et al., Z. Phys C74, 207 (1997) .2
C. Amsler et al. (Particle Data Group) .3
Physics Letters B667, 1 (2008)
ראה דף 12 ב http://pdg.lbl.gov/2009/reviews/rpp2009-rev-cross-section-plots.pdf
A. A. Arkhipov .4
E. Comay, Prog. in Phys. 2, 56 2010 .5